(57)【要約】【課題】本発明の課題は、トナーの帯電量を安定化することにより、環境条件の変化にかかわらず適正な濃度の画像を形成し得る画像形成装置を提供することである。【解決手段】トナーとキャリアの混合物よりなる現像剤において、キャリアの表面の誘電率をトナーの誘電率より大きくすることにより、トナーの帯電を安定化した。【選択図】図１
2006047446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トナーとキャリアの混合物よりなる２成分現像剤において、トナーのキャリアに対する摩擦帯電量（Ｑ／Ｍ）とトナーの現像剤に対するトナー濃度（Ｔ／Ｃ）の関係を示す実験式（１）において、Ｌｃｈ＝Ｒρｃεｃ／ｒρｔεｔ、且つ、εｃ＞εｔを満足することを特徴とする２成分現像剤。
Ｑ／Ｍ＝Ｑ／Ｍ（０）／（１＋Ｌｃｈ×Ｔ／Ｃ）………（１）
ここで、Ｑ／Ｍ（０）はＴ／Ｃ零におけるＱ／Ｍの近似値、Ｒ、ρｃ、εｃはそれぞれキャリアの粒径、真密度、キャリア表面の誘電率、ｒ、ρｔ、εｔはそれぞれトナーの粒径、真密度、誘電率を表す。
【請求項２】
トナーとキャリアの混合物よりなる２成分現像剤において、キャリアの表面の誘電率をトナーの誘電率より大きくしたことを特徴とする２成分現像剤。
【請求項３】
トナーとキャリアの混合物よりなる２成分現像剤において、キャリアの表面をトナーの誘電率より大きな誘電率の樹脂でコーティングしてなることを特徴とする２成分現像剤。
【請求項４】
請求項１又は２又は３において、前記キャリアはシリコーン樹脂にカーボンブラックを混合したコート材によりコーティングしたことを特徴とする２成分現像剤。
【請求項５】
請求項１又は２又は３において、前記キャリアは、比誘電率が２乃至３のシリコーン樹脂又はフッ素樹脂に、導電性微粉末である平均粒径０．００１μｍから０．０５μｍのカーボンブラックを、シリコーン樹脂又はフッ素樹脂の重量に対して５乃至１５％添加し混合したコート材によりコーティングしたことを特徴とする２成分現像剤。
【請求項６】
請求項４又は５において、前記キャリアのコア材は酸化鉄に副成分として酸化マグネシウムを添加してなるフェライトであることを特徴とする２成分現像剤。
【請求項７】
感光体と、該感光体表面を一様に帯電する帯電器と、画像データに応じた光ビームを前記感光体表面に照射し、画像パターンに応じた電荷パターンを形成する光学装置と、該電荷パターンに応じてトナーを現像してトナー像を形成する現像装置と、該トナー像を記録媒体に転写する転写器を備えた画像形成装置において、前記現像装置は現像剤としてトナーとキャリアの混合物よりなる２成分現像剤を用い、該現像剤のキャリアの誘電率をトナーの誘電率より大きくしたことを特徴とする画像形成装置。
【請求項８】
感光体と、該感光体表面を一様に帯電する帯電器と、画像データに応じた光ビームを前記感光体表面に照射し、画像パターンに応じた電荷パターンを形成する光学装置と、該電荷パターンに応じてトナーを現像してトナー像を形成する現像装置と、該トナー像を記録媒体に転写する転写器を備えた画像形成装置において、前記現像装置は現像剤としてトナーとキャリアの混合物よりなる２成分現像剤を用い、トナーのキャリアに対する摩擦帯電量（Ｑ／Ｍ）とトナーの現像剤に対するトナー濃度（Ｔ／Ｃ）の関係を示す実験式（１）において、Ｌｃｈ＝Ｒρｃεｃ／ｒρｔεｔ、且つ、εｃ＞εｔを満足することを特徴とする現像剤を用いた画像形成装置。
Ｑ／Ｍ＝Ｑ／Ｍ（０）／（１＋Ｌｃｈ×Ｔ／Ｃ）………（１）
ここで、Ｑ／Ｍ（０）はＴ／Ｃ零におけるＱ／Ｍの近似値、Ｒ、ρｃ、εｃはそれぞれキャリアの粒径、真密度、キャリア表面の誘電率、ｒ、ρｔ、εｔはそれぞれトナーの粒径、真密度、誘電率を表す。
【請求項９】
感光体と、該感光体表面を一様に帯電する帯電器と、画像データに応じた光ビームを前記感光体表面に照射し、画像パターンに応じた電荷パターンを形成する光学装置と、該電荷パターンに応じてトナーを現像してトナー像を形成する現像装置と、該トナー像を記録媒体に転写する転写器を備えた画像形成装置において、前記現像装置は現像剤としてトナーとキャリアの混合物よりなる２成分現像剤を用い、該現像剤は、キャリアの表面をトナーの誘電率より大きい誘電体の樹脂でコーティングしてなることを特徴とする画像形成装置。
【請求項１０】
請求項７又は８又は９において、前記キャリアは比誘電率が２乃至３のシリコーン樹脂に、導電性微粉末である平均粒径０．００１μｍから０．０５μｍのカーボンブラックを、シリコーン樹脂の重量に対して５乃至１５％添加し混合したコート材によりコーティングしたことを特徴とする画像形成装置。
【請求項１１】
請求項７又は８又は９において、前記現像装置はトナーとキャリアの混合物よりなる２成分現像剤を用い、キャリアのコア材は、酸化鉄に酸化マグネシウムを添加してなるフェライトであることを特徴とする画像形成装置。
【請求項１２】
請求項９において、前記現像装置においてトナーとキャリアを含む２成分現像剤を担持して搬送する現像剤担持体は、直流に交流を重畳した現像バイアス源に接続されていることを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子写真方式の複写機、プリンタ、ファクシミリ等に用いられる現像剤及びこれを用いた現像装置並びに画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子写真方式の複写機やプリンタなどの画像形成装置においては、感光体表面を一様に帯電した後、その感光体表面を画像データに応じて、例えばレーザビームで露光を行って、感光体上に画像パタ−ンに対応した電荷分布を形成する。更に、現像装置により電荷分布パターンに応じてトナーを現像することによってトナー像を形成し、その後、そのトナー像を記録紙へ転写し、熱定着によって記録紙に像を固定することにより、画像を形成する。
【０００３】
上記現像装置における現像方式としては、粒径が５〜１０マイクロメートル前後の樹脂の粉体の着色粒子であるトナーと、フェライトやマグネタイト、鉄粉などの平均粒径が３０〜１００マイクロメートルの磁性粒子であるキャリアを混合した２成分現像剤を用いる２成分現像方式や、トナーのみでキャリアを用いない１成分現像方式がある。
【０００４】
２成分現像剤を用いる電子写真装置は、一般に、円筒状のスリーブロールの内側に磁石ロールを備えた構造の現像ロールを１個又は複数個備え、この現像ロールによって感光体と現像ロールとの対向する空間にトナーとキャリアが混合して供給され、感光体上にトナーが現像される。
【０００５】
感光体表面に形成された電荷分布に応じてトナーを付着するためにはトナーを帯電させる必要があるが、２成分現像剤では、トナーとキャリアを混合したときに両者間に生じる摩擦によってトナーを帯電させている。この場合、適正な濃度の画像を形成するためには、トナーに適正な帯電量を付与すること及び安定した帯電量を付与することが重要である。
【０００６】
しかしながら、トナーの帯電量は環境条件、特に湿度によって大きな影響を受けるという問題がある。即ち、低湿度ではトナーはよく帯電し、トナー帯電量が大きくなり、高湿度ではトナーは帯電しにくくなり、トナー帯電量は小さくなる。感光体表面に付着するトナーの量は、トナー帯電量に反比例する特性があるから、湿度の変動によってトナー帯電量が不安定になるとトナー付着量も変動し、画像濃度が安定しないという問題を生じる。
【０００７】
本発明者はこのような問題を解決するために、特許文献１に開示された新たな画像形成方法を提案した。この方法は、トナーの単位重量当りの帯電量Ｑ／Ｍと、トナーとキャリアの重量混合比Ｔ／Ｃの関係が所定の数式を満たすような条件を求め、その条件を満たす混合比Ｔ／Ｃで現像剤を使用するもので、安定且つ高精細の画像を形成し得るという優れた効果がある。
【０００８】
【特許文献１】特開平８−２４８６７２号公報
【０００９】
【特許文献２】特開２００２−２７８１６８号公報
【非特許文献１】近藤厚実：粉体トナーでの摩擦帯電の機構：電子写真学会第４３回研究討論会、ｐｐ．２６−３０（１９７９）
【非特許文献２】栗田隆治：一成分及び二成分現像剤の飽和帯電量：電子写真学会誌、２６、２、ｐｐ．１２６−１２９（１９８７）
【非特許文献３】山崎ほか４名：二成分現像系における摩擦帯電とトナー表面電荷密度：電子写真学会誌、３１、２、ｐｐ．１１３−１２３（１９９２）
【非特許文献４】Ｌ．Ｈ．Ｌｅｅ:Ａ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ  Ｍｏｄｅｌ  ｆｏｒ  Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｔｏｎｅｒ−Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｐａｉｒ:Ｐｈｏｔ．Ｓｃｉ．Ｅｎｇ．２２、Ｎｏ．４、ｐｐ．２２８−２３１（１９７８）
【非特許文献５】岡田久雄：現像剤帯電のシミュレーション：第７４回電子写真学会研究討論会、ｐｐ．３７−４０（１９９４）
【非特許文献６】中山正敏：静電誘導：ｐｐ．８８−９０、共立出版（１９８３）
【非特許文献７】保志信義、安西正保、二成分現像剤の実効キャリア被覆率、電子写真学会誌、第２５巻  第４号（１９８６）
【非特許文献８】コロナ社、電子写真技術の基礎と応用、１９８８年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に提案した画像形成方法に使用する現像剤は、所定の条件式を満足するものであることが必要であり、このためには数１００種類のトナーとキャリアの組み合わせについて繰り返し評価を行う必要があり、多大な労力を要するという問題があった。
【００１１】
本発明はこのような労力を軽減するためにトナー帯電のメカニズムを理論的に究明し、もってトナーの帯電量の安定性に優れた現像剤、現像装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、トナーとキャリアの混合物よりなる２成分現像剤であって、キャリアの表面の誘電率をトナーの誘電率より大きくした２成分現像剤に一つの特徴がある。
【００１３】
本発明の他の特徴は、キャリアの表面をトナーの誘電率より大きな誘電率の樹脂でコーティングしてなる２成分現像剤にあり、更にはシリコーン樹脂にカーボンブラックを混合したコート材によりコーティングした２成分現像剤にある。
【００１４】
本発明の他の特徴は、比誘電率が２乃至３のシリコーン樹脂又はフッ素樹脂に、導電性微粉末である平均粒径０．００１μｍから０．０５μｍのカーボンブラックを、シリコーン樹脂又はフッ素樹脂の重量に対して５乃至１５％添加し混合したコート材によりキャリアをコーティングした２成分現像剤にある。また、キャリアのコア材が、酸化鉄に副成分として酸化マグネシウムを添加してなるフェライトであることに他の特徴がある。
【００１５】
本発明の他の特徴は、前記感光体表面に照射し、画像パターンに応じた電荷パターンを形成する光学装置と、該電荷パターンに応じてトナーを現像してトナー像を形成する現像装置と、該トナー像を記録媒体に転写する転写器を備えた画像形成装置において、前記現像装置は現像剤としてトナーとキャリアの混合物よりなる２成分現像剤を用い、該現像剤のキャリアの表面の誘電率をトナーの誘電率より大きくしたことにある。
【００１６】
本発明の他の特徴は、感光体と、該感光体表面を一様に帯電する帯電器と、画像データに応じた光ビームを前記感光体表面に照射し、画像パターンに応じた電荷パターンを形成する光学装置と、該電荷パターンに応じてトナーを現像してトナー像を形成する現像装置と、該トナー像を記録媒体に転写する転写器を備えた画像形成装置において、前記現像装置は現像剤としてトナーとキャリアの混合物よりなる２成分現像剤を用い、該現像剤は、キャリアの表面をトナーの誘電率より大きい誘電体の樹脂でコーティングしてなることにある。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、湿度などの環境変動にかかわらずトナーの帯電量を安定化することができるので、安定した印刷濃度を有する高品質の画像を形成できる画像形成装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の具体的な実施形態を説明する前に、本発明者が究明したトナー帯電機構について説明する。
【００１９】
本発明者が着目したトナー帯電機構に関するモデルは、平衡接触電場モデルと表面状態モデルである。本来同一の帯電現象について、この両者の比較結果に物理的解釈上の不都合が生じることを見出し、この不都合を解決した新たなモデルを提案したものである。
【００２０】
トナーとキャリアの接触電界が一定になるように飽和電荷量が決まるとする平衡接触電場モデルが非特許文献１、２、３に開示されている。このモデルの帯電量−トナー濃度特性式を非特許文献４の表面状態モデルの特性式に変換すると、表面状態モデルでトナーとキャリアの有効表面状態密度が等しいことが要求され、物理的解釈に不都合が生じることが非特許文献１、３で指摘されている。
【００２１】
この平衡接触電場モデルを良く分析した結果、接触部のモデル化の不備を見出した。それは、誘電体の接触では、その接触電界には双方の誘電率が影響するはずであるが、平衡接触電場モデルでは真空の誘電率しか考慮していないことである。また、この平衡接触電場モデルでは、電荷が表面に分布していると仮定している。しかし、表面に分布しているとすると、トナーとキャリアが接触すれば、正負の電荷が中和してしまい、接触部には静電容量は形成されないはずである。接触部の周辺空隙に静電容量が形成されるという考えもあるが、その空隙の間隔は一意に決まらないし、接触部での電荷の中和で接触電界が０になってしまうという矛盾が残る。従って、微視的尺度で見ると、トナーとキャリアの接触部は、空隙を介さずに接触しており、電荷分布の中心は接触面から微小な距離を隔てたところに存在すると考えるのが妥当である。
【００２２】
ところで、トナーやキャリアの電荷の源を考えると、それは電子の負電荷と原子核の正電荷の釣合いが崩れたことであり、原子や分子の電子軌道上の電子が過剰か不足かという状態に帰結できる。その軌道は、即ち準位である。従って、この準位に存在する電子や電子が不足した原子や分子による電荷が形成する電界は、その分子や原子、即ちトナーやキャリアの誘電的性質を反映するはずである。また、電子と原子核の電荷がトナーとキャリアの電荷であれば、それは微小距離を隔てて存在しているとすべきである。
【００２３】
本発明者は、トナー帯電量を決定する材料の物理量が何であるかを明確に示せないことが、帯電量の安定性に優れた２成分現像剤を短期間で開発できない最大の原因と考え、そのため、上記非特許文献で指摘されている物理的解釈の不都合の問題解決に取り組んだのである。
【００２４】
次に、従来の理論的不備を解消した本発明による新たな平衡接触電場モデルについて説明する。
【００２５】
図１はトナーとキャリアの接触部のモデルを示す。同図において、トナーとキャリアの接触面から、やや深いところ（これを本発明では、実質的に表面と呼ぶことにする）に電荷が一様に分布しているとする。トナーとキャリアが接触している微小部分についてガウスの法則を適用して接触電界を計算する。トナーの誘電率をεｔ、キャリアの誘電率をεｃとする。トナーは密度ρｔ、半径ｒの球、キャリアは密度ρｃ、半径Ｒの球とする。また、キャリア単位表面積あたりのトナー付着数をｎとする。これらの表記は、非特許文献２と同じである。
【００２６】
まず、トナー内部の電界をガウスの法則から導く。
【００２７】
【数１】
2006047446.tif 000003
【００２８】
トナー内部の平均電界をＥｔ'とすると、上式は積分を積で置き換えることができて、
【００２９】
【数２】
2006047446.tif 000004
【００３０】
となる。キャリアについても同様に、
【００３１】
【数３】
2006047446.tif 000005
【００３２】
となる。従って、接触部の電界Ｅｋは、電界の向きに注意して、
【００３３】
【数４】
2006047446.tif 000006
【００３４】
となる。
【００３５】
次に、電束密度の連続性からqｔとqｃの関係を導く。接触面でのトナー側の電界をＥｔ"、キャリア側の電界をＥｃ"とすると、接触面での電束密度が連続であるから、次式が成り立つ。
【００３６】
【数５】
2006047446.tif 000007
【００３７】
トナーとキャリアそれぞれの内部の電束の連続性を考慮する。接触面での電束の通過面積をSｉとし、キャリアの電荷から流れ出た電束がそこを通過して、トナーの電荷に流れ込むとすると、次式が成り立つ。
【００３８】
【数６】
2006047446.tif 000008
【００３９】
【数７】
2006047446.tif 000009
【００４０】
数２、数３、数５、数６、数７式から、
【００４１】
【数８】
2006047446.tif 000010
【００４２】
が得られる。また、電荷は表面に一様に分布しているので、qｔとqｃの絶対値は総表面積比に反比例することから、
【００４３】
【数９】
2006047446.tif 000011
【００４４】
となる。従って、
【００４５】
【数１０】
2006047446.tif 000012
【００４６】
となる。これをqtについて解くと、次式を得る。
【００４７】
【数１１】
2006047446.tif 000013
【００４８】
更に、ｎとトナーとキャリアの重量混合比Ｔ／Ｃの関係式、
【００４９】
【数１２】
2006047446.tif 000014
【００５０】
を用いると、トナーの電荷質量比Ｑ／Ｍは、
【００５１】
【数１３】
2006047446.tif 000015
【００５２】
となる。この式は、トナーとキャリアの誘電率を含んでいること以外は、非特許文献１や非特許文献２の式と等価である。
【００５３】
次に、誘電率と表面状態モデルの表面状態密度の関係について考察する。
【００５４】
接触部が静電容量とすると、蓄積できる電荷量は誘電率に比例する。誘電体で電荷を蓄積する場所は、トナーやキャリアの電子の捕獲準位や放出準位等であるから、蓄積できる電荷量はその準位の数に比例すると考えられる。また、それらの準位は表面状態モデルでいう表面準位である。従って、誘電率εと表面状態密度Ｎの間には比例関係があると考えられる。
【００５５】
【数１４】
2006047446.tif 000016
【００５６】
この関係を用いて、数１３の誘電率を表面状態密度に置き換えることができる。本発明者が非特許文献４の理論と同様にして解析した非特許文献５の記述に合わせて、単位重量当りの表面状態密度ｂｔ、ｂｃを用いると、
【００５７】
【数１５】
2006047446.tif 000017
【００５８】
【数１６】
2006047446.tif 000018
【００５９】
の関係式を得る。従って、数１３式は、
【００６０】
【数１７】
2006047446.tif 000019
【００６１】
となる。このＱ／Ｍ−Ｔ／Ｃ特性式は、表面状態モデルから導いた非特許文献５に開示されている次の特性式、
【００６２】
【数１８】
2006047446.tif 000020
【００６３】
と形式が全く同じである。ｋＥｋ＝ｅ（Ｗｃ−Ｗｔ）が２つの特性式の関係であり、接触電界Ｅｋは仕事関数の差に比例することが分かる。
【００６４】
以上に説明したように、トナーとキャリア双方の誘電率を考慮すれば、平衡接触電場モデルから導いた飽和帯電量の式は、表面状態モデルから導いた式と一致することが分かった。
【００６５】
ここで、誘電率と表面状態密度の関係について説明する。
【００６６】
非特許文献６より、誘電体の静的（直流）誘電率εは、
【００６７】
【数１９】
2006047446.tif 000021
【００６８】
で表される。ωｐはプラズマ振動数、ω０は電荷移動を有限に抑える復元力係数である。更に、ωｐは、電子密度ｎ、電子電荷の絶対値ｅ、電子質量ｍを用いて、
【００６９】
【数２０】
2006047446.tif 000022
【００７０】
と表される。従って、
【００７１】
【数２１】
2006047446.tif 000023
【００７２】
となる。電子密度ｎは、表面付近について考えれば表面状態密度Ｎに比例する（比例係数はｓ）と考えられる。また、上式でε０の項は電子の有無には無関係であることから省略して、
【００７３】
【数２２】
2006047446.tif 000024
【００７４】
を得る。
【００７５】
即ち、本発明で示した新たな平衡接触電場モデルの数式に現れている材料の誘電率という物理量が、表面状態モデルにおける表面状態密度と関係があることが判った。本発明者の先に提案した特許文献１では、トナーとキャリアの表面状態数の大小関係が、トナー帯電量とトナーとキャリアの重量混合比との関係を決定し、トナー帯電量が環境に対して安定な望ましい現像剤は、トナー帯電量がトナーとキャリアの重量混合比に対して変化が少ない特性があることを解明している。このような現像剤は、トナーの表面状態数に比べて、キャリアの表面状態数が多い場合であり、その表面状態数が、上記に述べたように、誘電率に対応することがわかったので、トナーとキャリアを設計する場合、トナーの誘電率に対して、キャリアの誘電率を大きく設計すればよいことが導かれる。そして、このキャリアの誘電率は、帯電に寄与するキャリア表面付近の誘電率であることから、キャリアの表面を覆っている樹脂コーティング層、即ち樹脂コート材の誘電率であると考え、樹脂コート材として、その誘電率がトナーの誘電率より大きいものを選べばよいという結論に達したのである。
【００７６】
次に、本発明に係る画像形成装置の一実施例について図２を用いて説明する。
【００７７】
図２において、１は感光体で、その周囲に帯電器２、露光器３、現像機４が配置されている。時計方向に回転する感光体１は帯電器２によってその表面が一様に帯電される。露光器３では画像デ−タに応じた光ビームが生成され、この光が感光体１表面に照射される。感光体１上では光が照射された部分が導電化して表面の電荷が消失する。
【００７８】
現像機４には、本実施例ではトナーとキャリアからなる２成分現像剤が用いられている。この現像剤は、内部に磁石を備えた現像ロ−ル４１の回転にともなって、感光体１と現像ロール４１との対向する空間領域に搬送される。現像ロ−ル４１は現像バイアス電源４８が接続されており、この電源４８から直流に交流を重畳した現像バイアス電圧が印加されている。上記の構造により、感光体１と同じ帯電極性のトナーは感光体１と現像ロール４１間の電界の作用で、感光体１表面の電荷が消失した場所に付着する。現像によって感光体１上に形成されたトナー像は、転写器５によって用紙７に転写される。用紙７に転写されたトナー像は、定着機（図示せず）での加熱によって融解されて、用紙７上に固定され、画像が形成される。なお、感光体１上に残留したトナーは清掃機６で除去される。清掃機６で除去されたトナーは、トナーホッパ４２に回収されて再び現像に使用される。
【００７９】
現像によってトナーが消費されると、現像機４の現像剤中のトナー濃度が低下し、トナー濃度センサ４４の出力値が変化する。トナー濃度センサ４４の検出信号は制御部４６で基準値と比較され、トナー濃度が所定値より低下したことを検出すると、トナー補給ローラ４３を駆動して、トナーホッパ４２から現像機４内にトナーを補給する。トナー濃度センサ４４の出力が所定のトナー濃度に対応した値になると、現像機４内のトナー濃度が過剰にならないように制御部４６は補給ローラ４３を停止させる。
【００８０】
感光体１と現像ロール４１との対向する空間領域が、現像が行われる部分であり、感光体１と現像ロール４１の間隔を現像ギャップと呼ぶ。また、感光体１の周表面の移動速度と、現像ロール４１の周表面の移動速度の比を周速比と呼ぶ。
【００８１】
本発明の実施例では、上記現像ギャップに供給される２成分現像剤として、トナーの誘電率よりキャリアの表面の誘電率の方が大きい現像剤を用いている。以下キャリア表面の誘電率を大きくするための具体例について説明する。
【００８２】
先ず、キャリア表面のコーティングによって上記の誘電率の関係を実現した例について説明する。体積平均粒径５５μｍのマグネシウムフェライトをコア材として、シリコーン樹脂、アクリル樹脂をコーティングした。キャリア表面のコート膜の誘電率を高くする方法として、導電性材料であるカーボンブラックをコート樹脂に添加した。導電性材料は誘電率が高いので、それをコート膜に添加することで、比誘電率が２〜２．９程度の樹脂の誘電率を高くすることができると考えられる。使用したカーボンブラックは平均粒径が０．０３μｍ程度の非凝集性のカーボンブラックである。
試作したキャリア（１）、（２）、（３）を以下に示す。
（キャリア１）
記号名    ：Ｄ−１
コート樹脂：シリコーン
コート膜厚：０．９μｍ
導電剤    ：平均粒径０．０３μｍのカーボンブラックをコート樹脂重量の１０％添加
（キャリア２）
記号名    ：Ｄ−２
コート樹脂：シリコーン
コート膜厚：０．６μｍ
導電剤    ：平均粒径０．０３μｍのカーボンブラックをコート樹脂重量の１０％添加
（キャリア３）
記号名    ：Ｄ−３
コート樹脂：アクリル
コート膜厚：０．９μｍ
導電剤    ：平均粒径０．０３μｍのカーボンブラックをコート樹脂重量の３％添加
これらのキャリアをシアン色のポリエステルトナーと、トナー／キャリア重量比Ｔ／Ｃが、０．０５３、０．０７５、０．１１１となるように各１０ｇを１０ｃｃのポリエチレン容器に混合したのち、ターブラミキサＴ２Ｃ型（Ｗｉｌｌｙ  Ｂａｃｈｏｆｅｎ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ社製）という攪拌混合装置によって回転数４２ｒｐｍで１０分間混合した。その後、２１０ＨＳ型帯電量測定装置（トレックジャパン社製）によってトナー帯電量Ｑ／Ｍを測定した。図３にトナー帯電量Ｑ／Ｍと混合比Ｔ／Ｃとの関係を示す。この測定結果を、特許文献１に記載されている下記の数式２３に当てはめて、パラメータＬｃｈの値を求めた結果は以下の通りであった。
【００８３】
【数２３】
2006047446.tif 000025
【００８４】
（キャリア１）
Ｌｃｈ＝３５
（キャリア２）
Ｌｃｈ＝２３
（キャリア３）
Ｌｃｈ＝６９
これらのキャリアとシアン色ポリエステルトナーを混合比０．０５で調合した現像剤を、プリンタＤＤＰ９２（日立プリンティングソリューションズ社製）によって印刷評価した。その結果、キャリアＤ−１、Ｄ−２を用いた現像剤は、連続印刷を行った場合において、混合比、トナー帯電量共に比較的安定であった。しかし、キャリアＤ−３を用いた現像剤では、トナー補給後に白地部に若干のカブリが発生してしまうことが判明した。キャリアＤ−１、Ｄ−２は、数２３のパラメーラＬｃｈの値が５０以下を満足しており、特許文献１に記載の通りの理由で安定性に優れていたものと考える。なお、キャリアＤ−１とＤ−２では、Ｌｃｈの値はＤ−２の方が小さくなっており、僅かではあるが、帯電量の変動もキャリアＤ−２を用いた場合の方が少なかった。現在の印刷品質基準は特許文献１が出願された頃に比べて高くなっており、本実験結果からは、キャリアＤ−１を用いた現像剤では十分ではなく、キャリアＤ−２を用いた現像剤が合格レベルと判断された。
【００８５】
次にこれらのキャリアにコーティングした膜の誘電率について確認した。キャリアは５５μｍと小さく、その表面のコート膜の誘電率は測定できない。従って、数１５、１６、１７及び特許文献１に記載された数式２３を比較し、次の数式２４
【００８６】
【数２４】
2006047446.tif 000026
【００８７】
の関係が得られるので、この式からキャリアの誘電率を導いた。なお、トナーの誘電率はトナーをペレット状に成形し、誘電体損測定装置ＴＲＳ−１０Ｔ（安藤電気社製）で測定した。ポリエステルトナーの比誘電率εｔ／ε０（但しε０は真空の誘電率）は、３．０であった。
【００８８】
数式２４で、Ｒ＝５５μｍ、ｒ＝８．５μｍ、εｔ＝３ε０（ε０は真空の誘電率）ρｃ＝５ｇ／立方ｃｍ、ρｔ＝１．１ｇ／立方ｃｍを代入して以下の結果を得た。
（キャリア１）
εｃ＝２．５ε０
（キャリア２）
εｃ＝３．８ε０
（キャリア３）
εｃ＝１．３ε０
以上の解析より、現在の印刷品質基準に合格しているキャリアＤ−２の表面コート膜の誘電率（＝３．８）は、トナーの誘電率（＝３．０）より大きく、前述の理論的解明とよく一致していることが判明した。なお、キャリアＤ−１とＤ−２はコート樹脂中に添加する導電剤の重量割合は同じであるが、キャリアＤ−２の方が誘電率が大きくなっている。これは、キャリア表面への樹脂コーティングは、樹脂を溶剤に溶かしてキャリアと混合した後、焼付によって樹脂の溶剤分を揮発させて行うのであるが、キャリアＤ−２のようにコート膜が薄い場合には、焼付時のコート膜の収縮が大きくなり、焼付後のコート膜中での導電剤の密度が高くなったためと推定している。
【００８９】
上述の実験は平均粒径が０．０３μｍのカーボンブラックを添加した場合であるが、コート膜に添加する導電剤のカーボンブラックの粒径を変えた場合についても実験を行った。実施例１と同様に、フェライトキャリア表面を、平均粒径が０．０６μｍの凝集性のカーボンブラックを添加したシリコーン樹脂でコーティングした。これを赤色のポリエステルトナーと混合して、連続紙プリンタＬ１６０型（日立プリンティングソリューションズ社製）で印刷評価を行った。その結果、印刷するに従い、赤色がやや黒味を帯びてくるようになった。更に、印刷を継続すると、再び黒味が減少し、鮮明な赤色に戻っていった。しかし、帯電量が上昇してしまった。このキャリアを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察すると、コート膜中にカーボンブラックの凝集物と思われる黒く映った微小部分が観察され、またコート膜も不均一に見えた。凝集性の比較的大粒径のカーボンブラックでは、コート膜中でのカーボンブラックの分散が不均一になり、カーボンブラックがコート膜と共にキャリア表面から脱落し、赤色トナーを汚染して黒味を帯びてしまったものと考えられる。また、カーボンブラックと樹脂との親和性が悪いためにカーボンブラックが脱落してしまうため、印刷を持続していくと帯電量が上昇すると共に、脱落するカーボンが無くなってくるため再び印刷色が鮮明になっていったものと考えられる。
【００９０】
これらの実験の結果、キャリアのコート膜としてはシリコーン樹脂に０．０５μｍ以下の粒径のカーボンブラックを添加することが望ましいことが判明した。また、平均粒径が０．００１μｍ以下は、歩留まりが低く製造コストが極めて高いものとなり、コスト面から適用は難しい。従って、使用するカーボンブラックの粒径は０．００１から０．０５μｍの範囲とすることが望ましい。なお、シリコーン樹脂の代りにフッ素樹脂を用いてもよい。
【００９１】
一方、カーボンブラックの添加量は、シリコーン樹脂に対して重量で５％以上１５％以下が望ましいことが判明した。即ち、カーボンブラックの添加量が重量で５％より少ないと、帯電量を安定させるという効果が不十分となり、また１５％より多いとコーティングの均一性が悪く、コート膜のはがれが起き易くなる。
【００９２】
次にキャリアのコア材について述べる。前述の実験ではコア材として、酸化鉄に副成分として酸化マグネシウムを添加してなるフェライトを用いた。この様なマグネシウムフェライトキャリアはマグネタイトキャリアに比べて電気抵抗が４桁から５桁高く、キャリアのコート膜に導電剤を添加してもキャリアの電気抵抗を高く維持できる。従って、２成分現像装置の現像ロールに印加する現像バイアスに交流を重畳しても絶縁破壊を生じず、キャリア飛びや画像欠陥が生じにくい。
【００９３】
図４は、横軸に、原稿濃度に相当する階調面積率（単位面積当りのドット数）、縦軸に、得られた画像の濃度をとった階調濃度特性を示し、直流バイアス電圧のみの場合は曲線８１のように濃度変化が少ない階調特性になるが、交流を重畳すると、８２の曲線で示すように、明るい低濃度の画像から、暗い高濃度の画像まで、濃度変化範囲が広がった画像を得ることが可能になる。従って、キャリアのコア材としてマグネシウムフェライトを用いると共に、直流と交流を重畳した現像バイアス方式を採用することにより、濃度変化範囲の広い階調特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明によるトナー帯電の解析モデルを説明する図。
【図２】本発明に係る画像形成装置の第１の実施例を示す構成図。
【図３】本発明に係る２成分現像剤のトナー帯電量とトナー／キャリア混合比の関係図。
【図４】本発明に係る２成分現像装置の階調特性図。
【符号の説明】
【００９５】
１は感光体、２は帯電器、３は露光器、４は現像機、５は転写器、６は清掃機、７は用紙、４１は現像ロ−ル、４２はトナーホッパ、４３はトナー補給ローラ、４４はトナー濃度センサ、４５は攪拌スクリュー、４７は現像剤規制部材、４８は現像バイアス電源、５３は転写電源
【図１】
2006047446.tif 000027
【図２】
2006047446.tif 000028
【図３】
2006047446.tif 000029
【図４】
2006047446.tif 000030